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Intro ......

은하가 모여 초은하단이 형성되어 나갔다. 이 현상을 인플레이션이라고 한다. 주제 : 원소의 기원을 알아본다. 팽창을 계속하면서 차츰 식은 우주에서는, 전자가 원자핵의 주우위로 끌려와 원자가 되는 경우가 생겼다. ‘무’란 빛도 물질도, 그리고 그 반입자가 생겼다. 우주의 온도가 2조 K 정도일 때는 양성자가 중성자로 변하거나, 양성자가 그 질량 차이에 해당하는 에너지를 주변에서 ‘조달’할 수 없어졌기 때문이다. 이때 렙톤의 일종인 전자와 양전자도 탄생했다. 지금부터 원소가 탄생된 과정을 알아보자. 열에너지는 물질로 전환할 수 있다. 이때 물질과 함께 반대의 전하를 지나는 반물질도 만들어졌다. 빅뱅으로 만들어진 물질과 반물질의 수가 달랐기 때문에 모두 소멸하는 일은 면할 수 있었다. 이 인플레이션의 급팽창을 일으킨 원동력은 ‘무’에서 탄생한 우주가 지니고 있던 진공 에너지라고 생각된다. 항성은 핵융합 반응에 의해 빛난다. 물질과 반물질이 만나면 빛을 방출하고 소멸해 버리는 ‘쌍소멸’이 발생한다. 그리고  ......

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사회과학 올립니다 우주의기원 - 원소의 기원 Up

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사회과학 올립니다 우주의기원 - 원소의 기원

[사회과학] 우주의기원 - 원소의 기원

Ⅰ. 주제 : 원소의 기원을 알아본다.

Ⅱ. 탐구 동기 : 우리 몸을 구성하고 어떤 물체를 구성하는 기본 단위는 분자이며 분자는 원자로 이루어져 있다. 원자도 또한 중성자, 양성자, 전자로 이루어져 있으며 그것조차 쿼크와 렙톤이라는 소립자로 이루어져 있다. 그럼 이것은 언제 만들어지고 어떻게 만들어 졌을까?. 우리는 이 궁금증을 해결하기위하여 원자의 기원을 탐구주제로 삼았다.

Ⅲ. 탐구 내용 : 현재 원자는 111종이 확인되었다. 이런 원소들은 어떻게 만들어지게 되었을까? 대략적으로 살펴보면 빅뱅에 의해 수소와 헬륨등의 가벼운 물질들이 만들어졌다고 한다. 그 후 별의 내부에서 더욱 무거운 철까지 만들어지게 된다. 철보다 무거운 원소는 별의 최후에 발생하는 대폭발에 의해 철보다 무거운 우라늄까지의 원소가 만들어졌다고 생각된다. 우라늄보다 무거운 111번까지의 원소는 인공적으로 합성되어 존재가 확인된 것이다. 지금부터 원소가 탄생된 과정을 알아보자.

우주가 없었다면 원소도 탄생하지 않았을 것이다. 원소의 기원을 알기 위해서는 먼저 우주의 기원을 알아야 한다. 우주는 ‘무’에서 탄생했다고 한다. ‘무’란 빛도 물질도, 시간도 공간도 전혀 존재하지 않는 세계이다. 그러나 미시 세계에서는 ‘무’가 항상 흔들리고 있으며, 약 137억 년 전에 그 흔들림에서 10-34cm 라는 초미시적인 우주 대칭성이 갑자기 파괴됨으로써 탄생했으리라고 생각된다. 원소의 역사는 모두 이 초미시적인 우주에서 시작되었다. 우주가 탄생하고 나서 10-44뒤에 초미시적인 우주는 급전개를 맞이했다. 10-34초 만에 10100배로 급팽창한 것이다. 이 현상을 인플레이션이라고 한다. 이 인플레이션의 급팽창을 일으킨 원동력은 ‘무’에서 탄생한 우주가 지니고 있던 진공 에너지라고 생각된다.. 우주는 생기자마자 인플레이션을 일으켰다. 그러나 이때는 물질이 아직 탄생하지 않았다. 인플레이션의 급팽창이 한창일 때 높은 에너지 상태에 있는 진공이 낮은 에너지 상태에 있는 보통의 진공으로 바뀌는 ‘상전이’라는 현상이 일어난다. 인플레이션의 종료와 더불어 진공 에너지가 모두 열에너지로 한꺼번에 해방되었다. 이리하여 상전이 뒤의 우주는 빛에너지로 가득 찬 뜨거운 불꽃 우주가 되었다. 이것이 ‘빅뱅’우주의 탄생이다. 빅뱅의 초기에는 원소의 바탕이 되는 물질도 만들어졌다. 열에너지는 물질로 전환할 수 있다. 이때 물질과 함께 반대의 전하를 지나는 반물질도 만들어졌다. 처음에 ‘X입자’와 ‘반X입자’라는 소립자가 다량 만들어졌으며, 이윽고 그로부터 현재의 물질을 구성하는 최소의 소립자인 ‘쿼크’와 ‘렙톤’, 그리고 그 반입자가 생겼다. 전자는 ‘렙톤’의 일종이며, 나중에 원소의 재료가 된다.

빅뱅에 의해 우주에는 대량의 쿼크와 렙톤, 그들의 반입자가 탄생했다. 이때 렙톤의 일종인 전자와 양전자도 탄생했다. 물질과 반물질이 만나면 빛을 방출하고 소멸해 버리는 ‘쌍소멸’이 발생한다. 우주의 온도가 낮아짐에 따라 쿼크와 반쿼크, 렙톤과 반렙톤도 쌍소멸을 시작했다. 빅뱅으로 만들어진 물질과 반물질의 수가 달랐기 때문에 모두 소멸하는 일은 면할 수 있었다. 우주 탄생에서 약 100만~10만분의 1초 뒤, 우주의 온도가 2조 K 이하까지 내려갔을 때 그때까지 단독으로 날아다니고 있던 쿼크가 3개 모여, 나중에 원자핵을 이루게 되는 양성자와 중성자가 만들어졌다. 우주의 온도가 2조 K 정도일 때는 양성자가 중성자로 변하거나, 중성자가 양성자로 변하는 일이 빈번하게 일어났으나 우주의 팽창으로 우주의 온도가 150억 K 이하까지 내려가자 양성자는 중성자로 변할 수 없게 된다. 이는 중성자 쪽이 0.14% 무겁기 때문에, 양성자가 그 질량 차이에 해당하는 에너지를 주변에서 ‘조달’할 수 없어졌기 때문이다. 한편 중성자는 양성자로 변신을 계속하기 때문에, 조금씩 중성자 쪽이 양성자에 비해 적어졌다.

양성자와 중성자가 변신할 수 없게 된 뒤에도 중성자는 양성자로 변신을 계속해, 최종적으로 양성자와 중성자의 비는 100대 22까지 낮아졌다. 우주의 탄생에서 3분 뒤 더욱 온도가 낮아지자 양성자와 중성자가 충돌하고 융합해 원소의 원자핵이 여러 개 합성되었다. 이때 양성자와 중성자를 결합시키는 힘을 핵력이라고 한다. 양성자와 중성자가 융합하여 중수소 원자핵이 되고 중수소 원자핵끼리 융합하여 삼중수소 원자핵과 양성자로 나누어진다. 다음에 삼중수소 원자핵과 중수소 원자핵이 융합하면 헬륨의 원자핵과 중성자로 나누어진다. 그 후로 우주 탄생으로부터 약 38만 년 뒤 우주의 온도가 약 3000K까지 내려가면, 전자가 원자핵의 주우위로 끌려와 원자가 되는 경우가 생겼다. 수소 원자핵과 1개의 전자가 결합해 수소원자가 헬륨 원자핵과 2개의 전자가 결합해 헬륨 원자가 탄생했다. 빅뱅에 의해 수소, 헬륨 등의 가벼운 원소가 탄생한 우주는 밀도에 차이가 있었다. 밀도가 높은 부분에는 차츰 물질이 모여든다. 이 밀도의 차이가 현재의 우주에 존재하는 은하나 은하단 등의 ‘씨앗’이 되었다고 한다. 팽창을 계속하면서 차츰 식은 우주에서는, 밀도가 높은 부분에 수소나 헬륨으로 이루어진 가스가 모여들었다. 가스의 덩어리는 밀도가 높아지자 스스로의 중력으로 수축했고, 마침내 내부에서 항성이 탄생했다. 그리고 많은 항성이 모여 은하가 탄생했으며, 은하가 모여 초은하단이 형성되어 나갔다. 항성은 핵융합 반응에 의해 빛난다. 핵융합이란 원자핵끼리 달라붙어 다른 무거운 원소의 원자핵을 만드는 반응이다. 항성도 스스로의 중력에 의해 수축해 중심부의 밀도가 높아진다. 그러면 차츰 고온이 되어 핵융합이 시작된다. 먼저 수소 원자핵 2개가 융합해 중수소 원자핵이 된다. 이때 전하를 보존하기 위해 양성자와 중성미자가 튀어나온다. 중수소 원자핵은 계속되는 핵융합 반응에서 헬륨3 원자핵을 거쳐 헬륨 원자핵이 된다.항서의 내부에서, 수소 원자핵으로부터 헬륨 원자핵이 만들어지는 핵융합 반응에 의해 중심핵의 수소가 줄어들면, 다음으로 무거운 헬륨이 핵융합의 연료가 된다. 항성은 중심핵에서 수소가 핵융합 반응을 일으킴으로써 그 크기가 일정하게 유지하고 있다. 그러나 헬륨의 핵융합 반응이

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